CN111505677A - 一种基于地面参考站观测的geo卫星轨道机动修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星轨道方法领域，具体是涉及一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法；首先，基于地面参考站数据，在强约束测站的速度和排除机动卫星观测条件下，采用相位观测值历元差分测速模型求解每个测站接收机钟差历元变化量；其次，联合三个或多个地面参考站，使用轨道机动卫星的观测数据以及求解的各测站接收机钟差历元变化量，建立卫星机动速度变化估计模型，求解出机动卫星的三维速度变化量；最后，基于三维速度变化量，积分为轨道的三维位置修正参数，并提供给用户进行轨道机动的修正；本发明可直接获得轨道机动卫星的三维位置修正参数，具有机动修正精度高的特点；轨道机动修正量的解算不需要外部辅助，方便实时应用。

Description

一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法

方法领域

本发明涉及卫星轨道方法领域，具体是涉及一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法。

背景方法

北斗卫星导航系统由地球静止轨道卫星GEO、倾斜轨道同步卫星IGSO，和中高轨卫星MEO三种混合星座构成。在各种星体的引力作用下，其GEO卫星常需要轨道机动来调整运行轨道从而维持正常的设计轨道。轨道机动时，卫星上的外加动力使其运行轨道发生改变，逐渐调整到设计的预定轨道上。轨道机动期间，因轨道的非正常改变，其广播星历存在较大偏差，其动力学模型难以准确确定，其精密轨道无法提供，因此对用户的导航定位定时服务会产生巨大的影响。当前，常规做法是通过广播星历提前播发卫星轨道机动标记信息，用户在轨道机动期间不使用当前机动的卫星数据，同时国际IGS服务中心也不提供该颗卫星的精密星历产品。这将大大降低轨道机动卫星的数据使用率，尤其是在观测条件较差情况下会显著影响用户的导航定位定时服务的能力。

基于上述问题，因此如何将机动卫星的轨道进行准确修正，使得用户的导航定位定时性能不受轨道机动的影响，对于卫星导航系统的稳定运行运维以及系统性能提升具有重要意义。

发明内容

为了实现以上目的，本发明提供了一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法，能够将机动卫星的轨道进行准确修正，使得用户的导航定位定时性能不受轨道机动的影响，具体的方法方案如下：

S1：地面参考站原始数据获取：获取参考站上卫星的载波相位观测值以及数据处理需要的辅助产品，包括广播星历、天线相位中心和地球自转参数。

S2：数据整理与预处理：基于广播星历，对步骤S1中获取的全部测站的相位观测值进行数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，得到干净的数据；同时，根据广播星历提供的卫星健康状态信息，对轨道机动的GEO卫星进行标记；并进行数据的周跳探测，给出周跳探测结果。

S3：误差模型修正：对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、电离层、对流层和地球自转误差的修正；其中相对论和潮汐修正使用IERS Conventions 2010中指定的模型修正，天线相位中心修正采用igs14.atx模型修正，对流层修正采用Saastamoinen模型修正，地球自转误差修正使用IERS EOP C04模型修正，电离层采用双频无电离层组合观测值消除。

S4：历元差分测速模型建立：基于单个参考站上所有非机动卫星的原始相位观测值、卫星广播星历和测站准确位置，建立历元间差分的观测方程，具体如式(1)：

根据卫星位置和各个测站准确位置计算卫星的高度角，并根据卫星高度角和观测噪声确定其对应的随机模型，具体如式(2)：

式中：

为相位观测值，λ为载波波长，上标s代表卫星，下标r代表测站，A为卫星和接收机天线间的单位矢量，v为测站速度，Δ代表历元间差分，ρ为卫星轨道误差，t^s为卫星钟差，t_r为接收机钟差；M为可以模型化误差，包括电离层、对流层、相对论、相位转绕；U为其它非模型化误差，包括星历残差、大气残差、多路效应，暂时忽略不计；P代表观测值权阵，a为相位观测噪声，ε为观测噪声，e为卫星高度角。

S5：求解各参考站接收机钟差历元变化：当参考站观测到4颗或4颗以上的卫星时(排除机动卫星)，根据步骤S4中的观测方程(1)和随机模型(2)，强约束测站的速度(v_r＜0.001mm/s)，进行最小二乘参数估计，求解各个参考站接收机钟差的历元变化量Δt_r。

S6：求解轨道机动的GEO卫星的速度变化量：选取三个或多个参考站机动卫星的观测数据，建立机动卫星速度变化观测模型，具体如式(3)：

其中参考站接收机钟差历元变化量采用步骤S5中估计的值进行修正，可以不再考虑，其随机模型与第四步中随机模型一样。

根据观测模型(3)和随机模型(2)进行最小二乘参数估计，获取轨道机动卫星的三维速度变化值v^m。

S7：将三维速度变化量积分为机动卫星的三维位置修正量。根据步骤S6中求解的机动卫星的三维速度变化值v^m，采用公式(4)积分为相应时刻的三维位置修正量

式中：t₀为轨道机动开始时刻，t_k为当前时刻。

S8：用户端轨道机动的修正与使用：用户在使用轨道机动的卫星进行导航定位定时解算时，在原来广播星历计算的轨道中，再加上对应时刻机动卫星的三维位置修正量，其卫星钟差不变，即可以正常的导航定位定时服务。

与现有的卫星轨道修复方法相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用高精度的相位观测值进行历元间差分处理，消除了模糊度参数，可直接获得轨道机动卫星的三维位置修正参数，具有机动修正精度高的特点。

(2)本发明提出的方法只需要三个或多个地面基准站观测即可以简单实施，不需要外部辅助，而且仅仅采用广播星历和简单的历元差分解算流程就可以完成轨道机动修正量的解算，方便实时应用。

附图说明

图1是本发明基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法流程图；

图2是本发明三个参考站求解的接收机钟差历元变化量图；

图3是本发明获取的C01卫星轨道机动期间的三维速度变化值图；

图4是本发明获取的C01卫星轨道机动期间的位置偏差修正数图；

图5是本发明修正轨道机动偏差前(左侧)、后(右侧)定位结果偏差结果图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的方法方案进行清楚和完整地描述。

实施例

本发明将单个地面参考站观测到的非机动卫星的相位观测值直接进行历元间差分，组成历元间差分测速模型并强约束测站速度，实时估计参考站接收机钟差历元变化量，同时联合多个地面参考站机动卫星的相位观测值和已估计的接收机钟差变化量，建立机动卫星速度变化模型，实时估计机动卫星的三维速度变化，并积分为位置偏差变化。

本发明的方法方案主要包括两大核心方法：

1、地面参考站接收机钟差历元变化量估计

接收机钟差量可以采用下列历元差分观测模型：

式中：

为相位观测值，λ为载波波长，上标s代表卫星，下标r代表测站，A为卫星和接收机天线间的单位矢量，v为测站速度，Δ代表历元间差分，ρ为卫星轨道误差，t^s为卫星钟差，t_r为接收机钟差；M为可以模型化误差，包括电离层、对流层、相对论、相位转绕；U为其它非模型化误差，包括星历残差、大气残差、多路效应，暂时忽略不计；P代表观测值权阵，a为相位观测噪声，ε为观测噪声，e为卫星高度角。

其随机模型定义如下：

P代表观测值权阵，a为相位观测噪声，ε为观测噪声，e为卫星高度角。

在参数估计中，因参考站是静态的，其速度参数可以进行强约束(v_r＜0.001mm/s)；同时，应删除广播星历标记的含有机动的卫星观测值。

2、轨道机动卫星的速度变化估计和位置偏差获取

轨道机动卫星的速度变化采用下列观测模型：

其中，非模型化误差

可以忽略不计，各类模型化误差

根据前述方法进行逐一修正，接收机钟差的历元变化量Δt_r可以进行事先修正，v^m为机动卫星的速度变化，其随机模型类同公式(2)。

在t_k时刻机动卫星对应的三维位置修正量

可以表示为式(4)。

式中：t₀为轨道机动开始时刻，t_k为当前时刻。

如图1所示，本发明的实施例包括原始数据获取，数据整理与预处理，误差模型修正，历元差分测速模型建立，接收机钟差历元变化估计，机动卫星的速度变化量估计，机动卫星的位置偏差获取，用户端轨道机动偏差修正与使用八个部分。

S1：原始数据获取：选取2020年1月9日的国际IGS站JFNG，CUT0，PNGM为参考站，并选取DARW为定位测试站，采集的原始相位观测数据；以及利用IGS网站(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/)下载广播星历等辅助产品(地球自转参数，天线文件等)。

S2：数据整理与预处理：基于广播星历，对获得全部的相位观测值进行数据质量检查、粗差剔除，删除无卫星星历或观测值不完整的数据，得到干净的数据，并且进行周跳探测，给出周跳信息；结合广播星历的卫星健康状态信息，给出卫星的机动标识，并根据广播星历标记，C01卫星从UTC时间10-16时存在机动，因此分析C01卫星在机动期间的修复。

S3：误差模型修正：对预处理后干净的数据进行相对论、潮汐、天线相位中心、电离层、对流层和地球自转误差的修正；其中相对论和潮汐修正使用IERS Conventions 2010中指定的模型修正，天线相位中心修正采用igs14.atx模型修正，对流层修正采用Saastamoinen模型修正，地球自转误差修正使用IERS EOP C04模型修正，电离层采用双频无电离层组合观测值消除。

S4：历元差分测速模型建立：基于单参考站非机动卫星的原始相位观测值、卫星广播星历和测站准确位置，建立历元间差分的测速函数模型(包括观测方程和随机模型)，并依据卫星高度角和观测噪声确定随机模型。

S5：参考站接收机钟差历元变化量估计

图2为求解的三个参考站的钟差历元变化量图，从图2中可以看出：不同测站接收机钟差的历元变化差异较大，在估计机动卫星的速度变化量时必须对相关数据进行修正，具体的方式如下：

强约束参考站的速度，根据测速观测模型和随机模型进行最小二乘参数估计，获得接收机钟差的历元变化量。

S6：机动卫星的速度变化量估计

图3为根据观测方程和随机模型进行最小二乘参数估计，获取的某颗轨道机动卫星的三维速度变化值图，从从图3中可以看出：轨道机动前后，估计的三维速度变化值为零，在轨道机动期间，机动卫星的三维速度变化为非零值；具体的估计方式如下：

选取三个或多个参考站机动卫星的相位观测数据，建立轨道机动速度变化估计模型，其中参考站接收机钟差历元变化量采用第五步估计的值进行改正，可以不再考虑，其随机模型与第四步中的随机模型一样。根据观测方程和随机模型进行最小二乘参数估计，获取某颗轨道机动卫星的三维速度变化值，如图3所示。

S7：机动卫星的位置偏差估计

图4为轨道机动卫星的位置偏差修正数图，从图4中可以看出：轨道机动期间，卫星的轨道发生了几百米到几公里的偏差(正负误差≈2km)。

通过将步骤S6中估计的速度变化值进行积分，即可以获得轨道机动卫星的位置偏差修正数。

S8：用户端轨道机动偏差修正与使用

图5为修正轨道机动偏差前后的定位偏差结果图，从图5中可以看出：轨道机动修复前，卫星定位误差在几百米到公里级，机动修复后，卫星定位误差正常，在10米量级，有效地使得用户的导航定位定时性能得到提升；具体的修正方式如下：

用户在使用机动的卫星进行导航定位定时解算时，在原来广播星历计算的轨道中，再加上对应时刻机动卫星的轨道三维位置修正量，其卫星钟差不变，即可以提供正常的导航定位定时服务。

Claims (5)

1.一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：数据的获取与处理：获取所有地面参考站上采集的原始相位观测数据，广播星历，以及数据处理需要的辅助产品；对上述数据进行筛选处理，给出周跳信息，并对轨道机动的GEO卫星进行标记；

S2：误差修正与模型建立：对步骤S1中处理后的数据进行修正，根据所述修正数据建立卫星的观测方程和随机模型；

S3：求解历元变化量与建立观测模型：基于所述步骤S2中的观测方程和随机模型，求解各个参考站接收机钟差的历元变化量；基于所述历元变化量的数值修正，建立轨道机动的GEO卫星的速度变化观测模型。

S4：用户端轨道机动的修正与使用：根据步骤S3中得到的观测模型，计算得出机动卫星的三维位置修正量；在原始广播星历计算的轨道中，加上对应时刻机动卫星的三维位置修正量，其卫星钟差不变，用户即可以正常地导航定位定时服务。

2.如权利要求1所述的一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法，其特征在于，所述步骤S2中，对数据的修正方式包括：相对论、潮汐、天线相位中心、电离层、对流层和地球自转误差修正；

所述相对论和潮汐修正使用IERS Conventions 2010中指定的模型修正；天线相位中心修正采用igs14.atx模型修正；对流层修正采用Saastamoinen模型修正；地球自转误差修正使用IERS EOP C04模型修正；电离层采用双频无电离层组合观测值修正。

3.如权利要求1所述的一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法，其特征在于，所述步骤S2中，卫星的观测方程是基于单个参考站上所有非机动卫星的原始相位观测值、卫星广播星历和测站准确位置建立的，具体如式(1)：

卫星的随机模型是基于卫星的高度角和观测噪声建立的，具体如式(1)：

式中：

为相位观测值，λ为载波波长，上标s代表卫星，下标r代表测站，A为卫星和接收机天线间的单位矢量，v为测站速度，Δ代表历元间差分，ρ为卫星轨道误差，t^s为卫星钟差，t_r为接收机钟差；M为可以模型化误差，包括电离层、对流层、相对论、相位转绕；U为其它非模型化误差，包括星历残差、大气残差、多路效应，暂时忽略不计；P代表观测值权阵，a为相位观测噪声，ε为观测噪声，e为卫星高度角。

4.如权利要求1所述的一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法，其特征在于，所述步骤S3中，卫星的观测模型是基于三个或多个参考站机动卫星的观测数据建立的，具体如式(3)：

根据观测模型和随机模型进行最小二乘参数估计，可获取轨道机动卫星m的三维速度变化值v^m。

5.如权利要求4所述的一种基于地面参考站观测的GEO卫星轨道机动修复方法，其特征在于，对所述三维速度变化值v^m进行积分计算，可得到所述三维位置修正量

具体如式(4)：

式中：t₀为轨道机动开始时刻，t_k为当前时刻。

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